常规物探技术在房损成因地质调查中的应用

陈中山，段 刚，张 昭，贠小伟，杨 彪

1.河北省煤田地质局 物测地质队，河北 邢台 054000；2.河北省煤田地质局，河北 石家庄 050085

0 引言

沙河市新城镇东北部位于太行山南段东麓，属残丘地貌，地形起伏不大，地势较平坦。海拔标高115 m～148 m，地势总体东南高、西北低，地形坡度6°左右。自2016年以来，沙河市新城镇东北2 km处村庄的中偏西北部陆续出现了墙体裂缝，最严重的裂缝宽度达10 mm，厢房内墙均出现或倾斜状或水平状或垂直状裂缝，且有继续加大的趋势，周围房屋亦陆续出现不同程度的裂缝。据初步统计，受损房屋有30余户，受损房屋区南北长约155 m左右，东西宽约150 m左右，面积约2.3万m2。为进一步民宅维修治理工作提供地质依据，先后向该区投入了浅层地震勘探和高密度电法等方法，进行了灾害治理前期调查工作。在前期资料收集、地面调查的基础上，通过调查分析该区房损成因及地灾形成机理，为灾害防治选择有针对性的施工方法提供科学地质依据。

1 工作区概况

1.1 区域地质条件

工作区地处太行山东麓，属于河北平原西缘，为洪积冲积而成，平原地貌。西部丘陵区山丘低缓，谷地开阔，台地多为冰川泥砾组成，地下多煤、铁矿藏。工作区为第四系覆盖地区，从区域地质条件分析，下伏地层为奥陶系地层，褶皱和断裂发育，构造比较复杂，岩浆岩体露头也较多，其中燕山期岩浆侵入岩形成本地区接触交代型铁矿的成矿母岩，也是形成本地区无烟煤矿的重要热源。区内地层自老至新为：太古界赞皇群(Ar)、元古界甘陶河群(Pt1gn)和长城系(Ch)、下古生界寒武系(∈)、奥陶系(O)、上古生界石炭系(C)、二叠系(P)、新生界上第三系(N)、第四系(Q)。工作区位于邯郸—邢台地区岩溶发育地下水径流带内，其地层底部为闪长岩体。以往周边存在民采铁矿活动，区域内存在采煤活动，铁矿成因为接触交代式。

工作区地表大部为第四系(Q)覆盖，只在村庄东、南部有闪长岩、正长闪长岩和峰峰组二段(O2f2)、一段(O2f1)灰岩出露。依据区域地质资料和矿山开采地质资料，工作区及附近地层主要有：奥陶系中统马家沟组(O2m)、磁县组(O2c)和峰峰组(O2f)，新生界第四系(Q)。见图1。

1.2 地下水类型与补、径、排特征

区域为百泉水文地质单元，依不同含水岩系，自西向东又可分为变质岩裂隙水、长城系石英砂岩构造裂隙水、碳酸盐岩岩溶水、松散岩类孔隙水4个类型。

图1 区域地质图Fig.1 Regional geological map

西部山区古老片麻岩及中上元古界石英砂岩的构造裂隙水，直接由大气降水补给，沿裂隙由高向低运动，在沟谷切割处以泉的形式排出地表。丘陵碳酸盐类地下水补给方式有二：一是直接入渗补给；二是区域侧向径流补给。地下径流大体自西南向东北到邢台百泉附近排泄出地面。

岩溶裂隙水为研究区一带主要含水层，该含水层富水性、透水性好，属强含水层，水位略浅于矿区岩溶水水位。南部矿区水位较低，局部形成漏斗，地下水水位埋深190～200 m。

研究区内孔隙水水位埋深约5 m，岩溶水水位埋深190～160 m，能保持如此水头差，表明研究区内上下两含水层之间水力联系不密切。

周边采矿业较发达，矿山开采排水。在研究区南侧、冯村一带第四系浅井雨季有少量水资源，其它季节第四系浅井干涸，矿区周围及附近村镇村民生活饮用水、工农业用水主要为人工开采奥陶系中统岩溶裂隙水，村镇周边及附近无水源地。

2 成因初步分析

根据以往人类活动类别，初步认为诱发民宅裂缝可能成因为：奥陶系岩溶发育地下水径流带引发的岩溶坍塌；民间采矿活动引发的地面沉降与塌陷；第四系地层内存在不良地质土体的变形引发的地面沉降；新构造活动诱发的地质灾害；人工开挖活动诱发的地面变形，以及其它不明成因等。

2.1 岩溶坍塌

研究区处于山前丘陵台地区，松散层厚度10～36 m。下伏碳酸盐岩地层，岩溶发育，埋蒧较浅，由于是岩溶水补给区，加上矿山开采疏干排水活动，水位变幅较大，有形成岩溶塌陷的条件。

2.2 采矿活动引发的地面沉降、塌陷

村西北方向650 m左右为北东向断层，附近煤矿在断层以西，断层以东为无煤系地层。村南为闪长岩侵入区，铁矿开采权已规划到村边，距裂缝房屋区230 m左右。如是采空塌陷影响区，受损房屋应延伸至村边，推测研究区下方无矿山开采活动，有无其它开采现象，目前尚不清楚，需采用物探方法探明。

2.3 不良地质土体变形引发地面沉降

裂缝院落地基可能有杂填土，存在不均匀沉降的可能。本区可能有膨胀土胀缩损坏房屋的可能，或者其它人工洞穴塌陷的可能。

3 研究区地球物理特征

区内地层层序为第四系全新统亚粘土及粉细砂，下伏地层为奥陶系、寒武系、青白口系灰岩。上覆地层由于其组分结构特征，波速与电阻率具有明显差异，下伏地层中岩溶塌陷带，断层破碎带，或者由于人工开挖，形成空洞或采空冒落带与裂隙带，与围岩也具有波速和电阻率差异，浅层地震与瞬变电磁法勘探具有较好的分辨能力[1-2]，在目标区域采用该项技术探测适宜。

4 工作方法

根据任务要求和区内地形条件、物性特征，确定采用浅层地震勘探和高密度电阻率成像技术进行勘探，见表1。物探工作以调查地下空洞为目的，测线密度与房屋裂缝严重程度相结合，测线间距为30～40 m，向外围则适当稀疏(40～60 m)。依据“三边”工作原则，发现异常点后可在后一期工作中加密勘察。

表1 采用方法及技术要求Table 1 Application method and technical requirements

5 资料处理与解释

5.1 浅层地震资料

处理流程主要包括去噪处理、静校正处理、剩余静校正处理、零相位子波反褶积和时变谱白化处理、速度分析、动校正、叠加处理、偏移处理、时深转换等[1-5]。

时间与深度剖面中存在一系列的反射波下凹特征，这些特征成为研究区地下水垂向径流解疑的基本标志，可以通过识别下凹标志对地面沉陷进行解释与推断。详见表2和图2(以1、2号地震测线为例)。

表2 地震资料解释异常统计表Table 2 Statistical table of seismic exploration data interpretation anomalies

图2 地震测线代表剖面成果图Fig.2 Representative section result map of seismic survey line

表3 电法资料解释异常成果统计表Table 3 Statistical table of abnormal results of electrical exploration data interpretation

5.2 高密度电法资料

处理流程主要包括：数据预处理(数据格式转换、突变点剔除、曲线圆滑、视电阻率断面色谱图绘制)、数据反演、地形修正、综合地质解释等[6-12]。

结合物性条件，通常砂土层与粉土层均呈相对低阻分布，经对该区的地下水位分析可知，位于第四系层内的砂土多呈充水状态，呈明显的低阻分布，砂砾石层电阻率呈现相对高阻值，而局部浅层地下水疏干部位，则呈相对高阻表现。此次测量采取了温纳装置类型进行观测，本次研究以温纳剖面的反演电阻率断面为主，解释浅部第四系地层砂土层的分布、电性界面分布以及浅层水地下水含水特征。见表3和图3(以3、8号电法测线为例)。

图3 电法测线代表剖面成果图Fig.3 Representative section result map of electrical exploration survey line

6 物探异常分析及应用

成果表明，地震勘探深度较深，可反映深部岩溶地层的岩溶发育特征。电法勘探深度相对较浅，但对浅部地层特征反映明显，且能够确定地层富水特性，据此可推测与下部岩溶或岩溶裂隙发育带的联通特征与性质。

综合分析，在整个岩溶地层浅埋区域，局部浅层地下水与下部岩溶贯通，大部分岩溶裂隙区域目前相对稳定。根据本次研究与以往地质资料分析，研究区民宅地基地层上覆第四系地层，结构相对较薄，地表径流能够沿奥陶系岩溶裂隙发育地层形成地下水垂向径流发育带。根据各地震剖面下部地下水垂向径流的异常位置，共划分出5处地下岩溶裂隙发育区域。通过高密度电法勘探发现，在民宅裂缝最严重的位置附近存在1个浅层水位降落漏斗区域。推测这些因素对研究区民宅裂缝成因具有一定的因果关系。见图4。

图4 物探解释灾害分布图Fig.4 Geophysical interpretation of disaster distribution map

7 结论及建议

(1)研究区内，未发现采空区特征，可排除民间采矿活动引发的地面沉降与塌陷；浅部未发现较大规模的溶洞和土洞及典型的岩溶塌陷特征；未发现大型墓穴和防空洞，可以排除人工开挖活动诱发的地面变形；未发现新构造活动及诱发的地质灾害。

(2)分析民宅裂缝成因主要因素可以归纳为：第四系覆盖层厚度相对较薄，5处岩溶裂隙发育区域，为历史形成的岩溶裂隙区域；存在的1个浅层水位降落漏斗区域，在第四系地层含水层降落漏斗形成过程中，上下含水层存越流关系，第四系含水层对深部岩溶水进行补给，由民宅下方地层地下水疏干作用，造成地基不均匀下沉，民宅墙体出现裂缝。

(3)为进一步优化地基塌陷危害评价，建议尽快对研究成果进行钻探验证，并进一步明确地基地层结构特征，确定地基沉降对民宅主体安全的影响。